Металлические сплавы окружают нас повсюду: они есть в самолетах, энергетических системах, кухонных приборах и множестве других вещей. Без них современная жизнь выглядела бы совсем иначе.
Но ученые до сих пор ищут способы сделать такие материалы прочнее, стабильнее и надежнее. Обычно для этого меняют состав сплава или способ его обработки. Теперь исследователи предложили другой путь: управлять тем, как атомы выстраиваются внутри металла.
Сталь — простой пример того, зачем нужны сплавы. Это в основном железо, но с небольшим количеством углерода и других элементов. Благодаря этому она становится гораздо прочнее и тверже обычного железа.
Международная команда ученых описала новый способ создания сплавов в журнале Science. По словам исследователей, этот метод может привести к появлению металлов, которые будут в несколько раз прочнее материалов, используемых сегодня.
Главная идея — не просто смешать металлы, а дать атомам правильно организоваться. Для этого ученые использовали более низкую и контролируемую температуру, чем обычно применяют при производстве сплавов, а затем оставляли металл «запекаться» на определенное время.
В результате внутри материала формировалась более стабильная и упорядоченная структура. Атомы собирались в небольшие блоки — зерна. Эти зерна получались меньше, плотнее и лучше уложенными, чем обычно.
Материаловед Цзянь-Фэн Не из Университета Монаша в Австралии говорит, что больше века разработка сплавов в основном строилась вокруг состава и обработки. Но новое исследование показывает: то, как атомы организуются во время производства, может быть не менее важным.
Особенно важно, что речь идет не о тонкой пленке, покрытии или микроскопическом образце. Исследователи показали, что атомы могут самоорганизовываться в почти бездефектные структуры внутри крупного цельного металлического материала.
Это принципиальный момент. Идея мелких и хорошо упорядоченных зерен не новая, но превратить ее в пригодный для реального производства объемный металл сложно.
В новом исследовании ученые смешали пять металлов: гафний, ниобий, тантал, титан и цирконий. Сначала сплав ненадолго расплавили при высокой температуре. Затем температуру снизили до 550 °C и оставили материал на несколько часов и даже дней.
Лучший результат появился примерно через 32 часа. Так ученые получили «суперсплав» — тугоплавкий высокоэнтропийный сплав, или RHEAD.
Он оказался в два раза прочнее стали, в три раза прочнее алюминия и вдвое прочнее такого же сплава, сделанного обычным способом.
Материаловед Юй Чжан из Чунцинского университета в Китае объясняет: когда ученые аккуратно контролировали организацию атомов во время обработки, им удалось создать очень связанную структуру с исключительной прочностью и стабильностью.
Прочность появилась благодаря двум вещам сразу: правильному выбору металлов и особому режиму подготовки. Вместе они создали условия, при которых атомы сплава сами выстроились в повторяющиеся зернистые узоры. Материал как будто нашел более удачный внутренний порядок, реагируя на естественные напряжения между смешанными компонентами.
Именно эта упорядоченность, а также отсутствие дефектов и промежутков между повторяющимися зернами, сделали сплав настолько прочным.
Испытания показали, что новый материал достиг предела текучести при сжатии более двух гигапаскалей и при этом сохранил пластичность. То есть он способен изгибаться, а не сразу ломаться.
По словам Цзянь-Фэна Не, если этот подход получится применять шире, он может открыть путь к материалам со свойствами, которые раньше считались недостижимыми. Это может повлиять на проектирование сплавов для самых разных систем и отраслей.
Исследователь отмечает еще одну важную деталь: вместо того чтобы просто добавлять в сплав больше разных элементов ради лучших характеристик, можно будет проектировать внутреннюю структуру материала. Это может сделать производство сплавов более эффективным, устойчивым и экономичным.
Авторы считают, что их работа открывает много возможностей для будущего производства — от аэрокосмической отрасли до энергетических систем и даже технологий, которые пока еще не придуманы.
Но до практического применения еще нужно провести большую работу. Теперь команда хочет понять не только то, как именно атомы перестраиваются, но и почему они это делают. Это поможет расширить и улучшить новый метод.
Декан инженерного факультета Университета Монаша Яннис Вентикос, который не участвовал в исследовании напрямую, говорит, что больше века прогресс в сплавах шел через изменение химического состава и обработки, часто методом проб и ошибок. Новая работа показывает, что можно проектировать саму организацию атомов — и так получать материалы с возможностями, которые раньше были недоступны.
